Secure Transmission Strategies in UAV-Assisted Wireless Networks

Abstract

Viidennen/kuudennen sukupolven (5G/6G) langattomasta lähetyksestä on tullut yhä yleisempää ja väistämättömämpää, joten tietoturvan varmistamisesta tulee entistä tärkeämpää. Tästä syystä tämä väitöskirja keskittyy tiedonsiirtovarmuuden saavuttamiseen miehittämättömissä ilma-alusten (unmanned aerial vehicle, UAV) tukemissa langattomissa verkoissa fyysisen kerroksen turvallisuuden (physical layer security, PLS) ja suojattujen kommunikaatiotekniikoiden avulla, samalla kun parannetaan energiatehokkuutta, lähetyksen suorituskykyä ja salassapitoa. Ensinnäkin esitetään energiatehokasta UAV-tiedonkeruu- ja -siirtojärjestelmää salakuuntelun estämiseksi. Tässä tutkimuksessa pyritään maksimoimaanUAV- tiedonkeruun energiatehokkuus ja turvattu suorituskyky optimoimalla lentorata, lennon kesto, käyttäjämäärittely, UAV-lähetysteho ja eston pituus samanaikaisesti. Simulaatiotulokset osoittavat, että ehdotettu järjestelmä voi parantaa energiatehokkuutta ja varmistaa tietoturvan. Toisekseen suojatun älykkään heijastavan pinnan (intelligent reflecting surface) omaava IRS-UAV-verkko on suunniteltu ja optimoitu suojaamaan salakuuntelulta. Luottamuksellisten signaalien ja keinotekoisten kohinasignaalien keilanmuodostusvektorit sekä IRS:n vaihesiirtomatriisi ja sijainti on optimoitu yhdessä maksimoimaan salausastetta ja samalla rajoittamaan salakuuntelua sen rajoissa. Simulaatiotulokset vahvistavat ehdotetun lähestymistavan tehokkuuden ja turvallisuuden. Lopuksi PLS otetaan käyttöön suojatussa viestinnässä salassapitokyvyn lisäämiseksi. Tämän tutkimuksen tarkoituksena on tarjota suojattu tiedonsiirto salaisessa viestinnässä PLS-tekniikoiden avulla, vaikka Alice epäonnistuisi ja Willie havaitsisi hänet. Simulaatiotulokset vahvistavat merkittävät parannukset tietoturvassa. Avainsanat: Aaltoryhmän muodostus, suojattu viestintä, yhteisoptimointi, fyysisen kerroksen turvallisuus, miehittämätön ilma-alus

As the fifth/sixth generation (5G/6G) wireless transmission has become increasingly ubiquitous and inevitable, ensuring information security becomes more crucial than ever. Therefore, this dissertation focuses on achieving transmission security in unmanned aerial vehicle (UAV)-assisted wireless networks via physical layer security (PLS) and covert communication techniques while also enhancing energy efficiency, transmission performance, and secrecy throughput. First, an energy-efficient UAV data collection and transmission scheme is proposed to prevent eavesdropping. This research aims to maximize the energy efficiency of UAV data collection and secure performance via optimizing the trajectory, flight duration, user scheduling, UAV transmit power, and blocklength simultaneously. Simulation results prove that the proposed scheme can enhance energy efficiency and guarantee information security. Next, a secure intelligent reflecting surface (IRS)-on-UAV network is designed and optimized to defend against an eavesdropper. The beamforming vectors of confidential signals and artificial noise signals, as well as the phase-shift matrix and location of IRS, are jointly optimized to maximize the secrecy rate while constraining the eavesdropping rate within its limit. Simulation results validate the effectiveness and security of the proposed approach. Finally, PLS is introduced into covert communication to increase secrecy throughput. The purpose of this research is to provide more secure data transmission in covert communication using PLS technology to avoid eavesdropping even if Alice fails andWillie detects her. Simulation results confirm the significant improvements in security performance. Keywords: Beamforming, covert communication, joint optimization, physical layer security, unmanned aerial vehicle